[发明专利]图案化钙钛矿单晶阵列及其光电器件的制备方法

说明书

本发明公开了一种图案化钙钛矿单晶阵列及其光电器件的制备方法，包括：将钙钛矿前驱液通过浸润性辅助的涂布法图案化成点阵阵列；通过基于奥氏熟化的结晶流程，将图案化的钙钛矿前驱液阵列结晶为图案化的钙钛矿单晶阵列。本发明方法制备的钙钛矿单晶阵列具有良好的单晶性和平整度，还可以用以制备具有二极管多层式结构的图案化钙钛矿单晶阵列器件，在实际应用中效果显著。

技术领域

本发明属于光电功能器件领域，涉及有机无机杂化钙钛矿及其光电功能器件，以及图案化技术。

背景技术

近年来，一系列有机无机杂化钙钛矿材料凭借其极低的制备成本，简便的制备流程，较长的载流子扩散距离，较高的载流子迁移率，较低的缺陷态密度，在可见和近红外光的较强吸收，已经成为太阳能电池、光电探测器、发光二极管和激光等领域的明星材料，在各种光电器件领域吸引了大量研究人员的目光。杂化钙钛矿材料的典型结构式为ABX₃，A为有机基团，常见的有甲胺、甲脒等；B为铅或锡等无机元素，X通常为卤族元素。目前大多数钙钛矿器件都是基于多晶薄膜的，而多晶薄膜通常具有较高的晶格缺陷，特别是在多晶晶界位置。与之相比，单晶内部没有晶界，具有很大的发展前景。

图案化在包括钙钛矿器件在内的光电器件功能化过程中具有十分重要的作用。例如，我们之所以在显示器上看到五彩缤纷的各种图案，正是因为显示器是由图案化、阵列化的像素点构成的；我们之所以用照相机可以拍下五彩缤纷的各种画面，正是因为照相机的感光元件是由图案化、阵列化的光敏二极管元件构成的；图案化、阵列化也是提高光电探测器性能的一种常用手段。总之，与连续的大块材料相比，按某种方式图案化的材料能够实现一些特定的功能，更为各种光电功能器件所需要。因此制作图案化的钙钛矿器件，尤其是基于图案化钙钛矿单晶的器件的需求越来越高。

生长图案化的钙钛矿单晶一般需要提前构筑图案化的晶种，而这限制了电荷传输层的引入。在这种限制下，目前只能实现光致发光结构(即衬底/钙钛矿单晶阵列)和光电探测器结构(即电极/钙钛矿单晶阵列/电极)这两种基于图案化钙钛矿单晶的简单结构。而在光电功能器件常用的二极管多层式结构(即电极/电荷传输层/钙钛矿/电荷传输层/电极结构)目前仍没有实现。

发明内容

为了克服现有钙钛矿单晶图案化技术的不足，本发明提供一种奥斯瓦尔德熟化(又称奥氏熟化)辅助的图案化钙钛矿单晶阵列的技术方案，能够实现较为复杂的二极管多层式结构光电器件。本发明的技术方案如下：

一种图案化钙钛矿单晶阵列的制备方法，包括以下步骤：

1)将钙钛矿前驱液通过浸润性辅助的涂布法图案化成点阵阵列；

2)通过基于奥氏熟化的结晶流程，将图案化的钙钛矿前驱液阵列结晶为图案化的钙钛矿单晶阵列。

上述步骤1)的具体方法可以是：在对钙钛矿前驱液浸润的基底上，通过光刻法将某种对钙钛矿前驱液不浸润的材料图案化为网格状作为模板层；接着将钙钛矿前驱液涂布于该模板层上，钙钛矿前驱液将自发地离开模板层的不浸润区域而聚集在浸润区，形成图案化的点阵阵列。

所述对钙钛矿前驱液浸润的基底材料例如玻璃、氧化铟锡、掺氟的氧化锡、各种常规电荷传输层。

所述对钙钛矿前驱液不浸润的材料例如poly(4-butylphenyl-diphenyl-amine)(ploy-TPD)、poly(N-vinylcarbazole)(PVK)等有机聚合物。将这些材料溶解在适当溶剂中，先通过旋涂、刮涂、喷涂等常规涂布办法制成连续薄膜，再通过光刻法图案化。

在图案化为网格状的不浸润材料模板层上通过刮涂法、喷涂法、旋涂法或狭缝涂布法等方法涂布钙钛矿前驱液，钙钛矿前驱液将自发地离开模板层的不浸润区域而聚集在浸润区，即钙钛矿前驱液聚集在网格单元中，形成图案化的点阵阵列。